핀칭 안테나 시스템을 활용한 저복잡도 통합 sensing‑communication 설계

본 논문은 핀칭 안테나 시스템(PASS)이 제공하는 물리적 자유도, 즉 전송 및 수신 파형 가이드 위의 핀칭 요소 위치를 동적으로 조정함으로써 통합 sensing‑communication(ISAC) 시스템의 성능을 극대화하는 방법을 제시한다. 기존 연구들은 PASS를 이용한 ISAC의 이론적 가능성을 보여주었지만, 전역 최적화에 의존해 실시간 적용이 어려웠다. 이를 해결하기 위해 저복잡도 알고리즘을 설계하고, 두 가지 주요 시나리오(다운링크와 업링크)에 적용하였다. 1. 시스템 모델 두 개의 파형 가이드를 x축에 평행하게 배치하고, 각각 전송 PASS와 수신 PASS로 사용한다. 전송 PASS는 N개의 핀칭 요소, 수신 PASS는 M개의 핀칭 요소를 갖는다. 각 요소는 x축 상에서 자유롭게 이동 가능하며, 좌표는 ℓ_tx_n, ℓ_rx_m 으로 표기한다. 사용자와 목표물은 각각 3차원 좌표 u_u와 u_t 로 정의되며, LoS 경로가 존재한다. 채널 모델은 전파 손실, 위상 지연, 반사 인덱스 i_ref 등을 포함한 복소수 이득 g_tx, g_rx 로 구성된다. 2. 성능 지표 다운링크에서는 통신 스펙트럼 효율 R_dc = log₂(1+P·|G_tx(u_u)|²/σ_u²)와 센싱 상호 정보량 I_ds = (1/T)·log₂(1+ρ_t²·T·P·|G(l_tx,l_rx,u_t)|²/σ_rx²) 를 사용한다. 업링크에서는 통신 효율 R_uc = log₂(1+|G_rx(u_u)|²·P_c/(ρ_t²·|G(l_tx,l_rx,u_t)|²·P_s+σ_rx²))와 센싱 상호 정보량 I_us = (1/T)·log₂(1+ρ_t²·T·P_s·|G(l_tx,l_rx,u_t)|²/σ_rx²) 를 정의한다. 3. 문제 정의 각 시나리오마다 전송 전력 제한(P_max, P_max^c, P_max^s)과 핀칭 요소 간 최소 거리 Δ를 만족하면서, 다중 목표(통신 효율, 센싱 정보량)를 동시에 최적화하는 다목적 최적화 문제를 수립한다. 4. 저복잡도 설계 전략 (1) 파티셔닝 트릭 전송 PASS의 N개의 핀칭 요소를 N₁개와 N−N₁개 두 그룹으로 나눈다. 첫 번째 그룹은 사용자 중심(x_u) 주변에 λ 간격으로 배치하고, 두 번째 그룹은 목표물 중심(x_t) 주변에 동일하게 배치한다. 이렇게 하면 각 그룹이 해당 수신점에 대해 위상 정렬(in‑phase) 조건을 만족한다. (2) 스칼라 최적화 각 그룹의 비율 α = N₁/N 를 결정하기 위해 가중합 목적함수 F(α)=ω₁·|G_tx(u_u)|²+ω₂·|G_tx(u_t)|² 를 정의하고, 0≤α≤1 구간에서 단일 변수 최적화를 수행한다. 여기서 |G_tx(u)|²는 거리 D와 위상 차 ζ를 포함한 근사식(31),(32) 로 표현된다. 최적 α* 를 구하면 N₁* = ⌊N·α*⌋ 가 결정되고, 이후 각 핀칭 요소의 정확한 좌표는 식(34) 로 계산한다. (3) 수신 PASS 설계 수신 PASS는 목표물에 가장 가깝게 배치한다. 최소 거리 Δ ≤ λ 인 경우, 목표물 좌표 x_t 를 중심으로 λ 간격으로 대칭 배치한다(식 28). 이는 거리 최소화와 위상 정렬을 동시에 만족한다. (4) 업링크 BCD 알고리즘 업링크에서는 센싱 전력 P_s 와 전송 PASS 위치를 동시에 최적화하는 서브문제와, 수신 PASS 위치를 최적화하는 서브문제로 나눈다. 각각을 교대로 해결하는 블록 좌표 하강법(BCD)을 적용한다. 센싱 전력은 P_s ≤ P_max^s 범위 내에서 최적화되며, 전송 PASS 파티셔닝은 다운링크와 동일한 방식으로 수행한다. 5. 복잡도 및 성능 평가 제안 알고리즘은 전송 PASS 파티셔닝 단계에서 O(1) 연산만 필요하고, 수신 PASS 배치는 간단한 수식에 따라 직접 계산된다. 따라서 전체 복잡도는 전통적인 전역 탐색에 비해 수십 배에서 수백 배까지 감소한다. 시뮬레이션에서는 파라미터(λ, Δ, N, M 등)를 다양하게 변형하여, 제안 설계가 고정 안테나 기반 베이스라인 대비 sensing‑communication rate region을 크게 확장함을 확인하였다. 특히, α를 조절함으로써 통신‑우선, 센싱‑우선, 혹은 균형 잡힌 운영 모드를 자유롭게 전환할 수 있다. 6. 결론 본 연구는 PASS의 물리적 재구성을 활용한 저복잡도 ISAC 설계 프레임워크를 제시한다. 이중 파티셔닝과 스칼라 최적화를 결합함으로써, 실시간 채널 코히어런스 시간 내에 핀칭 위치를 업데이트할 수 있다. 제안 방법은 복잡도는 최소화하면서도, 기존 최적 설계와 비교해 거의 동일하거나 더 나은 성능을 제공한다는 점에서, 차세대 다기능 무선 시스템에 실용적인 솔루션을 제공한다.